Redigerer Kjernefysisk fusjon (avsnitt)

== Coulomb-barrieren ==
Når to atomkjerner nærmer seg hverandre vil protonene i hver kjerne frastøtes elektromagnetisk av protonene i den andre. Dersom kjernene har nok energi til å overvinne denne frastøtningen inntil kjernene kommer i kontakt vil den [[Sterk kjernekraft|sterke kjernekraften]] dominere og en fusjon kan oppstå. Denne frastøtningen skaper en [[Coulomb-barriere]]; et energinivå som må overskrides før kjernene kan smelte sammen, selv om den endelige energitilstanden er lavere og netto energi frigjøres. Nivået på denne barrieren bestemmes av antall protoner i de to kjernene og kjernestørrelsene.

Coulomb-barrieren er lavest for hydrogenisotoper, som bare inneholder en positiv ladning i atomkjernen. Flere protoner i en kjerne er ikke stabilt uten et antall nøytroner og dette øker med økende kjernestørrelse. Protoner kan omdannes til nøytroner gjennom [[svak kjernekraft|svak vekselvirkning]]. men dette har 20 størrelsesordener lavere reaktivitet enn fusjonsreaksjoner som ikke krever dette. En virkning er at de samme partiklene kan gi flere forskjellige mulige reaksjoner med forskjellige energinivåer og forskjellig sannsynlighet. Denne sannsynligheten beskrives ved reaksjonstverrsnittet og avhenger både av partikkeltype, reaksjon og energinivå.

[[Fil:DT_fusion_rxnrate.svg|300px|thumb|Fusjonraten for deuterium-tritium fusjon øker raskt med temperaturen og når en topp ved 64 keV og faller så av.]]

Med deuterium-tritium isotoper som brensel oppnås maksimal reaktivitet ved 64 keV. Resultatet er en <sup>5</sup>He kjerne som imidlertid er ustabil og straks frigjør et nøytron og 17,6 MeV energi. For to partikler fordeler energien seg omvendt proporsjonalt med massen på de resulterende partiklene, så nøytronet får ca. 4/5 • 17,6 = 14,1 MeV, og <sup>4</sup>He får 3,5 MeV.

Coulomb-barrieren kan overvinnes ved at energien tilføres partiklene direkte, for eksempel i en partikkelakselerator, eller termisk.

I en partikkelakselerator tilføres partikkelen [[kinetisk energi]] i [[elektrisk felt|elektriske felter]]. Hvis en isotop akselereres mot den andre kalles prosessen ''beam-target'' mens hvis begge isotopene akselereres kalles det ''beam-beam'' fusjon. Hvis man antar at D-T fusjon kan oppnås ved ''beam-beam'' og tilfører 32 KeV for hvert isotop ved å akselerere dem i et 32 kV elektrisk felt blir hastigheten for deuterium omkring 1,5•10<sup>6</sup> m/s som er 0,5&nbsp;% av lyshastighet, og derfor ikke medfører noen vesentlige relativistiske effekter. [[Temperatur]] er et mindre praktisk mål i denne situasjonen: for eksempel vil elektronene i et vanlig TV [[bilderør|billedrør]] tilføres ca. 20 keV som tilsvarer 230 millioner grader!

Hvis partiklene er del av et [[Plasma (fysikk)|plasma]] i nær termisk likevekt ([[Maxwell–Boltzmann fordeling]]) snakker man om ’’termonukleær’’ fusjon. Temperatur er et uttrykk for midlere [[kinetisk energi]] og dermed midlere hastighet for ionene. 64 keV tilsvarer omkring 740 millioner Kelvin som er rundt 50 ganger så høyt som kjernetemperaturen i sola. Dette vil ikke kunne oppnås praktisk, men faktisk temperatur som kreves vil være lavere av to årsaker:

Fordi [[temperatur]] er ’’midlere’’ kinetisk energi vil [[sannsynlighetsfordeling]]en tilsi at det alltid vil være noen atomkjerner som har vesentlig høyere energi enn den midlere (og en del som er vesentlig lavere). De kjernene som har energi over Coulomb-barrieren kan derfor gi fusjon.

[[Fil:Quantum_Tunneling.jpg|300px|thumb|Kvantetunnelering og Coulomb-barrieren]]
Den andre effekten er [[kvantetunnelering]]. I kvantemekanikken sier [[Heisenbergs uskarphetsrelasjon|Heisenbergs usikkerhetsprinsipp]] at en partikkels impuls og posisjon ikke kan bestemmes nøyaktig, og at usikkerheten alltid må være større enn en konstant.

:: <math> \Delta x \Delta p \ge \frac{h}{4\pi} = \frac{\hbar}{2} </math>

Figuren viser øverst energinivået '''E''' ved avstand fra kjernen '''r''', og nederst en partikkel representert ved sin bølgenatur, der A<sub>1</sub> er amplituden for en partikkel med kinetisk energi E<sub>k</sub>. Den vil klassisk bare komme på avstand r<sub>1</sub>. Nødvendig Coulomb-energi E<sub>c</sub> tilsvarer avstanden r<sub>2</sub>. Dersom produktet av tiden det vil ta å krysse barrieren fra r<sub>1</sub> til <sub>2</sub> og nødvendig «ekstra» energi E<sub>c</sub> - E<sub>k</sub> er mindre enn usikkerheten <math> \hbar </math> vil partikkelen allikevel kunne «tunnelere» inn i kjernen og gi fusjon. Etter Maxwellsk fordeling vil antallet partikler være lavere dess høyere energi over middelverdien. Sannsynligheten for tunnelering øker med økende energi og produktet av disse har et maksimum ved [[Gamow-energi]]nivået. De fleste reaksjonene vil skje i [[Gamow vindu]]et rundt denne verdien.<ref>{{Kilde www |url= http://www.shef.ac.uk/physics/people/vdhillon/teaching/phy213/phy213_fusion2.html |tittel= occurrence of fusion reactions, stellar structure & evolution (phy213) |besøksdato= 2007-08-29|forfatter= Vik Dhillon |dato= 2001-10-31 |format= html |utgiver= The University of Sheffield, Department of Physics and Astronomy}}</ref>